石灰和水泥改良過濕土在鉆前工程中的應用

李 祥 譚樹成 楊仕波

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

以宜賓市興文縣某鉆前工程為例，該平臺持力層土質為粉質粘土，工程新修ZJ70，ZJ50鉆機基礎兩套；新修井場面積105 m×80 m，挖方工作量：挖硬土7 034.4 m3，挖耕植土(淤泥)2 660 m3，土質改良11 475 m3。新建公路0.141 km；改建公路2.735 km，集液池、空鉆池容積2 000 m，儲存池2 000 m3。

平臺整個處于水田之中，根據設計要求，地基承載力特征值kfp應大于120 kPa，但通過標準貫入實驗，該平臺持力層地基承載力僅為50 kPa。

根據粘性土的定名規則，通過取樣檢測得知平臺土樣為低液限粉質粘土。稠度指數的范圍為0.02～0.40[4]。

根據過濕土的定義：0

表1 液塑限實驗結果

根據錘擊實驗，該平臺過濕土最佳含水率為13.7%，但現場取土土樣平均含水率為35.2%，有較大的可塑性，透水性小而吸水能力強，毛細現象十分明顯，能長期保存水分，影響土的性質。

并且根據地勘報告，擬建場地屬山間緩坡地貌，緩坡上分布梯田，平臺總體地勢東北高西南低，地面最大相對高差約11.76 m。場地地下水類型主要分為賦存于粉質黏土中的上層滯水，石灰巖中的裂隙水；地表水主要為溝塘水，灌溉水，分布在溝塘附近。

2 過濕土改良方案

根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[5]“7.2軟弱地基的利用與處理”的要求，并結合現場實際情況。通過對理論方案：表面清淤、堆砌預壓、復合地基、強夯、震動壓實、換填、化學添加、晾曬、換季施工、局部區域加抗滑樁和基礎梁等進行了篩選對比。符合現場施工條件及工期要求的方案唯有化學添加劑這一方案。根據施工成本及當地原材料運輸情況，施工方決定采用石灰、混凝土作為化學添加劑的原料，但其具體摻入比例需通過實驗和現場驗證來確定。

3 作用原理

此方案的原理是通過摻入不同適當比例的生石灰和水泥，將兩種物質拌合進土壤中。以此降低土壤含水率，改變土壤內部結構，提高粘結力，形成有多種強度結構主體的復合物，從而使平臺地基承載力達到設計要求。

3.1 生石灰在土壤中的作用

生石灰在土壤中主要發生膠體反應、凝膠反應、碳化反應、結晶四種反應。其原理是通過以上反應使生石灰與土壤中的水分產生水化熱，蒸發水分，與土壤形成多種結構形態和晶體，加強土壤結構強度降低塑性，降低土壤中的含水量。

3.2 水泥在土壤中的作用

1)物理反應。

在水泥加固土的過程中，物理反應主要會發生土體密度增大、水泥水化產物的微加筋和膠凝等現象。

2)化學反應。

水泥固化土壤的化學反應有兩方面：一方面是水泥本身成分發生的化學反應，另一方面是土體與水泥中的某些成分發生的化學反應。

4 土工試驗

4.1 液塑限實驗

4.1.1配比

1)在不摻入水泥的情況下，石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不摻入石灰的情況下，水泥與風干土的重量比分別為3%，4%，5%，6%。

3)在水泥摻入量3%～4%的情況下，石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥摻入量5%～6%的情況下，石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4.1.2實驗方法

風干土、水泥、石灰分別過粒徑0.74 mm的篩，按以上預定配比攪拌均勻，利用液塑限聯合測定儀測定改良處理后土的液限與塑限。

4.1.3實驗結果及分析

通過實驗收集的數據繪制折線圖，從圖1～圖4可以看出，過濕土隨著生石灰、水泥及石灰水泥添加劑摻灰量的增加(0%～12%)，液限降低越來越明顯，塑限在水泥的作用中，提升幅度更大。綜合來看，摻灰量越大，塑限和液限的變量越大，當水泥摻入5%～6%，生石灰摻入12%時，過濕土的液限及塑限表現出最佳狀態。

4.2 錘擊實驗

4.2.1配比

1)在不摻入水泥的情況下，生石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不摻入石灰的情況下，水泥與風干土的重量比分別為3%，4%，5%，6%。

3)在水泥摻入量3%～4%的情況下，生石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥摻入量5%～6%的情況下，生石灰與風干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4.2.2實驗方法

擊實類型為重型擊實，先將風干土和生石灰拌勻，再加水攪拌，使試樣充分浸潤，然后進行擊實。

4.2.3實驗結果及分析

通過實驗數據繪制折線圖，可以從圖5，圖6看出，在土料中摻入生石灰、水泥和石灰水泥混合劑均降低了其最大干密度并且提高了最佳含水率。其中生石灰在摻入12%時最大干密度最低，但在生石灰摻入12%、水泥摻入6%時，土料的最佳含水率達到最高(20.5%)。

4.3 摻灰后的含水量損失

4.3.1實驗方法及配比

為了測試生石灰對土樣土的減水效果，按原狀土含水(35.2%)制備土樣，在密閉的塑料袋內燜料6 h～8 h，向各份土樣中按比例(0%，3%，4%，5%，6%，8%，10%，12%)分別摻入生石灰、水泥及石灰水泥混合劑(水泥：3%～4%，5%～6%)并攪拌均勻，敞開塑料袋口讓其充分反應，最后再測定其含水量。

4.3.2實驗結果及分析

由圖7～圖10可以看出：在土料土中分別摻入生石灰、水泥及石灰水泥添加劑后，隨著摻量的增大，含水量逐漸降低。同時，經過摻灰后未擊實的含水量和擊實后的最佳含水量的對比，摻灰后的含水量和擊實后的最佳含水量差距在2%～3%以內為較為合適的摻灰比例。

當生石灰摻量在12%、水泥摻量在3%～6%時，均能滿足要求。但當生石灰摻量在12%、水泥摻量在5%～6%，實測含水率和最佳含水率有最好的效果。考慮到施工現場過濕土含水率可能大于實驗數據，決定放棄生石灰12%、水泥3%～4%這組配比(該組配合比實際含水率和最佳含水率差值剛好為3)，采用生石灰12%、水泥5%～6%的配比進行施工。

5 碾壓試驗

5.1 試驗參數

根據規范要求：試驗鋪土厚度：30 cm，50 cm。

碾壓遍數：靜壓2遍，振動4遍；靜壓2遍，振動6遍；靜壓2遍，振動8遍。

5.2 試驗比例

1)摻灰比例為:生石灰12%、水泥5%，鋪土厚度為50 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4.1 cm～0.1 cm，壓實度為95.5%～96.2%。

2)摻灰比例為:生石灰12%、水泥5%，鋪土厚度為30 cm，分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.5 cm～0.1 cm，壓實度為95.7%～96.3%。

3)摻灰比例為:生石灰12%、水泥6%，鋪土厚度為50 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4 cm～0 cm，壓實度為96%～96.7%。

4)摻灰比例為:生石灰12%、水泥6%，鋪土厚度為30 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.4 cm～0.1 cm，壓實度為96.8%～97.9%。

5.3 結果與分析

5.3.1摻灰比例分析

由碾壓試驗的結果可以看出：當摻灰比為生石灰12%、水泥6%時，壓實度基本達到設計規定的97%的要求，與室內土工試驗的分析結果一致。

5.3.2松鋪厚度分析

根據碾壓試驗統計結果，當采用生石灰12%、水泥6%的摻入比例進行碾壓試驗時，松鋪50 cm時，在靜壓2遍+振動碾壓6遍后其壓實度達不到設計要求。而在松鋪30 cm厚時，在靜壓2遍+振動碾壓6遍后其壓實度即可達到設計要求，故碾壓參數中的鋪土厚度選擇為松鋪30 cm。

5.4 試驗結論

根據碾壓試驗及結果分析后確定的碾壓施工參數為：碾壓設備為18 t壓路機，樺犁翻2次，路拌機拌和4次，摻灰比例為生石灰12%、水泥6%，松鋪厚度為30 cm，碾壓方式為靜壓2遍+振動碾壓6遍，壓路機行走速度小于2 km/h。

6 施工工藝控制

為切實加強施工工藝控制，使檢測時取用土樣的最大干密度與實際工程情況更加接近，在施工中應采取以下有效措施：

1)確定石灰劑量標準曲線：每收進一批石灰，不僅要對其進行化學分析，還要重新確定相應的標準曲線。

2)備料：生石灰塊應在使用前7 d～10 d充分消解，消解后的石灰應保持一定的濕度，不得產生揚塵，也不可過濕成團。如果土壤水分過高，宜采用二次摻灰拌合法。先摻入1%～2%消解后的石灰拌合后，燜灰1 d～2 d，土壤塑性指數與含水量降低之后，再按要求摻入剩下部分的生石灰。

3)灰土及水泥的拌合：灰土的比例應根據設計要求進行配置。基礎墊層的灰土必須經過標準斗進行稱量，嚴格控制其配合比。拌合時至少翻拌三次，拌合好的灰土顏色應均勻一致。

4)基坑(槽)底或基土表面應清理干凈。特別是槽邊掉下的虛土，風吹入的樹葉、塑料袋等垃圾雜物。

通過采取上述措施，有效地控制了石灰比例和壓實度，提高了質量，縮短了施工工期。

7 結語

通過對水泥、石灰改良過濕土進行試驗研究及實際應用后得出了以下結論：

1)生石灰的摻入能有效改善過濕土的物理力學性質，可以使其滿足壩體填料的要求；在那些土壤天然含水量較高、稠度低、難以達到規范壓實度特點的多雨，潮濕地區，采用生石灰進行處理比較合適；

2)生石灰和水泥在過濕土中的反應過程是十分復雜的，不僅有其自身的水解水化反應，而且與土體中的三相之間也存在物理化學反應。在這些物理化學反應和外部機械壓實的共同作用下，呈松散狀態的土顆粒逐漸形成較致密的整體，使土體的物理力學性能得到良好的改善；

3)過濕土摻入水泥后，其塑限、最優含水量顯著增加，說明摻灰土相較于未摻灰土在同樣的含水量條件下更容易從塑性狀態進入半固結狀態，更容易壓實，從而達到施工中壓實度的要求。